ELEKTRISCHE SCHflHELinGEn LONP&N BEL&C
AMSTtRMN
© &
ELEKTRISCHE SEHHKELinGEII Samengesteld door de projectgroep van het P L O N voor de 3e klas mavo en voor de 3e klas havo/vwo
Experimentele uitgave
UI
I
METALEN BALLPOINTVEERTJE
O V E R DIT B O E K Dit boekje behandelt de belangrijkste basiskennis van de electriciteit. In dit boekje leer je in het basisdeel wanneer een stroom gaat lopen, wat serie- en wat een parallelschakeling is en je leert hoe je een volt- en ampèremeter moet schakelen. In de hoofdstukken 7 en 8 is te vinden hoe de Wet van Ohm luidt en hoe we daaraan gekomen zijn. Ook vind je daar meer uitgewerkt wat weerstand is. In de leesteksten is weer van allerhande te vinden. Het basisdeel van dit boekje geeft je de kennis die je in andere thema's nodig hebt. In die andere thema's gaan we ervan uit dat je deze kennis over de electriciteit beheerst. De thema's die het betreft zijn „Geluid Weergeven", „ N a t u u r k u n d e Thuis", „Energie in de Toekomst", „ V e r w a r m e n en Isoleren", „Schakelen en regelen" en , ^ ï a c h i n e s en Energie". • Je ziet dat electriciteit veel en vaak terugkomt. Van leer-, werk-, onderzoeks- en leesplezier.
0
inhoud elektrische schakelingen Basisdeel Leesteksten
2
blz. 3 blz. 41
inhoud basisdeel
1. Stroomkringen 2. Serieschakeling en parallelschakeling 3. Stroom meten 4. Spanning meten 5. Stroomsterkte en spanning meten in een stroomketen 6. Theorie over spanning en stroom 7. Schakelingen tekenen
blz. blz. blz. blz. blz. blz. blz.
5 12 15 18 21 24 27
8. iMeten en rekenen aan spanning en stroom 8.1 Spanning en stroom 8.2 Spanning, stroom en weerstand 8.3 Weerstand en temperatuur 8.4 De weerstand van gelijke draden in serie 8.5 De weerstand van gelijke draden parallel
blz. blz. blz. blz. blz. blz.
31 31 32 34 35 37
Extra stof 8.6 De weerstand en dikte van een draad 8.7 Weerstand en materiaal
blz. 38 blz. 38 blz. 38
3
1 stroomkringen
Om een lamp te laten branden heb je een spanningsbron nodig. De spanning kan bijvoorbeeld komen uit een stopcontact, dynamo, accu, batterij of voedingskastje. In dit thema zullen we vooral werken met voedingskastjes of met de centrale voedingskast in de klas. P R O E F 1. Laat een lampje branden op een batterij of met een voedingskastje. Je mag geen fitting gebruiken.
P R O E F 2. Laat een lampje branden op een batterij of met een voedingskastje. Gebruik zoveel mogelijk verschillende voorwerpen tussen de voeding en het lampje.
Een lampje gaat branden als er stroom door de gloeidraad van het lampje loopt. Er gaat stroom lopen door een lampje als je het aansluit op een batterij, een voedingskastje of een andere spanningsbron. De opstelling van spanningsbron, draden en lampje heet een stroomkring. Er mogen geen onderbrekingen in de stroomkring zitten, zoals losse contacten, een schakelaar die uitgeschakeld is, of een kapotte gloeidraad. De lamp gaat alleen branden als de stroom rond kan lopen en de stroomkring gesloten is. De stroom loopt rond van de + van de spanningsbron naar de — van de spanningsbron.
5
P R O E F 3. 1. Bouw onderstaande schakelingen na. 2. Geef aan hoe de stroom loopt.
INSTELLEN OP é>V O
V
6
12 V
-+
WEERSTA NDSDRA AD
Schakeling van een huisbei
Een Haagse tram. De electromotor van de tram krijgt stroom van een draad boven de rails.
7
O P D R A C H T 2. Hoe loopt de stroom rond als de zaklamp van de tekening brandt?
ZINKEN OMHULSEL
METALEN OMHULSEL
TE HOUDEN
BATTERIJEN
GEÏSOLEERDE LENSi METALEN .
SCHAKELAAR
LAMPJE
O P D R A C H T 3. Waarom heeft een tram maar één draad nodig en een trolleybus twee?
Een Arnhemse trolleybus. De electromotor van de bus krijgt stroom van twee draden boven het wegdek.
8
O P D R A C H T 4. Onderzoek de werking van de schakelingen bij de volgende proef. Geef aan hoe de stroom rondloopt. P R O E F 4. 1. Bouw één van de onderstaande schakelingen na. 2. Geef in je opstelling aan hoe de stroom rondloopt als de lamp brandt of de bel rinkelt. PROEF 4A. ELECTRISCHE Links steden. spijker
QUIZ
staan landen, rechts hoofdHoud
draad
A
tegen
de
naast Nederland. Z o e k de
bijbehorende
hoofdstad
op. H o u d
draad B tegen de spijker naast die hoofdstad.
Als het antwoord goed
is, gaat het lampje branden. P R O E F 4B. WEKKER Als
de
kaars ver genoeg is opge-
brand gaat de bel
rinkelen.
P R O E F 4D. WINDVAAN Bij noordenwind brand het lampje bij de N ; bij oostenwind het lampje
Wie kan de metalen ring het snelst van de ene kant naar de andere verplaatsen, rinkelen?
10
zonder
dat
de
bel gaat
PROEF 4F. REGENMELDER Als er voldoende regen valt, lost het suikerklontje
op
en
gaat
de
bel
rinkelen.
11
2 serieschakeling en parallelschakeling
O P D R A C H T 5. Gaan de lampjes in de hieronder getekende schakeling branden? Zo ja, hoe loopt de stroom? Wat zou er gebeuren als je één van de lampjes zou losdraaien?
PROEF 5. 1. Bouw de opstelling hierboven. 2. Ga na of je antwoord bij opdracht 5 goed was. 3. Wijs in de opstelling aan hoe de stroom loopt. 4. Wat gebeurt er als je een lampje losdraait? 5. Wat gebeurt er als je een lampje uit de stroomkring weglaat en de stroomkring weer sluit?
O P D R A C H T 6. Gaan de lampjes branden? Zo ja, hoe loopt de stroom? P R O E F 6. 1. Bouw de opstelling hiernaast. 2. Ga na of je antwoord bij opdracht 6 goed was. 3. Wijs in de opstelling aan hoe de stroom rondloopt. 4. Wat gebeurt er als je een lampje losdraait? 5. Wat gebeurt er als je een lampje weglaat? 12
O P D R A C H T 7. Gaan de lampjes branden? Zo ja, hoe loopt de stroom? P R O E F 7. 1. Bouw de opstelling hiernaast. 2. Ga na of je antwoord bij opdracht 7 goed was. 3. Wijs in de opstelling aan hoe de stroom rondloopt. 4. Voorspel wat er gebeurt als je lampje A losdraait. 5. Controleer je voorspelling met een proef. 6. Herhaal 4 en 5 voor lampje B en C. Als je een aantal lampen op een spanningsbron aansluit, kun je dat op twee manieren doen. Je kunt de lampen achter elkaar schakelen. De stroom gaat één voor één door alle lampjes heen, net als bij een kerstboomverlichting. Dit heet in serie schakelen. Als je één lampje losdraait, gaan alle lampjes uit. Hoe meer lampjes je in de stroomkring zet, des te zwakker branden de lampjes (proef 5). De spanningsbron levert dus minder stroom.
serieschakeling.
Kerstboomverlichting. De lampjes zijn in serie geschakeld. Als een lampje stuk is, gaan alle lampjes uit.
13
Je kunt de lampen ook naast elkaar schakelen. Dat heet parallel schakelen. In een parallelschakeling vertakt de stroom zich. De stroom gaat gesplitst door de lampjes heen. Als je een lampje losdraait, blijven de andere lampjes dus gewoon branden (proef 6). De lampen thuis zijn parallel geschakeld: als je een lamp uitdoet blijven de andere lampen aan.
De lampen thuis zijn parallel geschakeld. Als je een lamp uitdoet, blijven de andere lampen aan.
14
3 stroom meten
P R O E F 8. Laat een fietslampje branden met een spanningsbron van 1,5 V , 4,5 V en 6 V . * Vergelijk het resultaat. Een lampje gaat feller branden als de spanning in de spanningsbron waar je het lampje op aansluit, groter is. Hoe groter de spanning, des te groter is de stroom die door het lampje gaat en des te feller het licht van het lampje. De electrische stroomsterkte meet je met een stroommeter. Je leest de stroomsterkte af in ampères (A) of milliampères (mA). IA = 1000 mA. De stroommeter wordt daarom ook a m p è r e m e t e r of (milliampèremeter) genoemd.
stroommeter of ampèremeter.
Een stroommeter meet de stroom die d ó ó r de stroommeter gaat. Daarom moet de stroommeter in de stroomkring zitten. Alle stroom moet door de stroommeter en door het lampje lopen.
O P D R A C H T 8. Ga na hoe de stroom loopt in de schakelingen hierboven. * Spreek uit volt De spanning die een batterij of een voedingskastje levert wordt uitgedrukt in volt (V). Zie verder blz. 18.
15
Let bij het aansluiten van de meter op het volgende: 1. Sluit de stroommeter aan op het grootste meetbereik (bijvoorbeeld 3A). a. Als de meter de verkeerde kant uitslaat, kijk dan bij punt 2. b. Als de wijzer te ver uitslaat, is deze stroommeter niet geschikt voor jouw proef. c. Als de meter niet ver genoeg uitslaat, maar wel in de goede richting, zetje hem gevoeliger (bijvoorbeeld 0,3A = 300 mA). Zet je hem meteen op een gevoelige stand en is de stroom dan erg groot, dan brandt de meter door. 2. Zorg dat de + kant van de meter aan de pluskant van de spanningsbron zit. Anders slaat de meter de verkeerde kant op.
P R O E F 9. 1. Maak de linkerschakeling van de vorige pagina. 2. Controleer of de aansluiting goed is. Als de aansluiting goed is — moet het lampje uitgaan als je de meter weghaalt — moet de wijzer de goede kant op uitslaan — mag de wijzer niet te ver uitslaan 3. Lees de stroomsterkte af. 4. Wijs in de opstelling aan hoe de stroom rondloopt.
PROEF 9a. Meet de stroom door je lichaam als je met de ene hand de + en met de andere hand de — van een batterij van 9V vastpakt. Maakt het verschil of je handen vochtig zijn of droog? (Zie ook de leestekst „ s t r o o m door je lichaam" op blz. 51.)
Bij het aflezen van de meter moet je goed op de schaal letten. Als hij aangesloten is op 3A, betekent dit, dat bij volle uitslag de stroom 3 ampère bedraagt. 16
O P D R A C H T 9. Lees de volgende meters af. Geef je antwoord steeds in èn in m A .
De oplossing vind je op bladzijde 40.
4 spanning meien
Een lampje gaat feller branden als de spanning van de spanningsbron waar het lampje op brandt, groter is (proef 8). Op verschillende spanningsbronnen die dezelfde spanning leveren brandt een lampje even fel. De electrische spanning meet je met een spanningsmeter of voltmeter. Je leest de spanning af in Volt (V).
Veel gebruikte batterijen hebben een spanning van bijvoorbeeld 1,5 V of van 4,5 V . De spanning van een auto-accu is meestal 12V. Op voedingskastjes kun je de spanning vast instellen van 0 - 1 2 V . De spanning op de stopcontacten in huis is 220V.
1f
batterijen 4,5 V .
De spanningsmeter komt naast de stroomkring
18
batterijen 1,5 V .
te staan en niet erin.
Ook bij de spanningsmeter zorg je ervoor steeds in de minst gevoelige stand te beginnen en de + kant bij de + kant van de spanningsbron aan te sluiten. P R O E F 10. 1. Maak de opstelling zoals op de volgende pagina. 2. Controleer of de aansluiting goed is. Als de aansluiting goed is — moet het lampje blijven branden als je de meter weghaalt; — moet de meter de goede kant uitslaan; — mag de wijzer niet van de schaal lopen. 3. Lees de spanning af. 4. Wijs in de opstelling aan hoe de stroom rondloopt.
19
O P D R A C H T 10. Lees de volgende meters af.
De oplossing vind je op blz. 40. 20
5 stroomsterkte en spanning meten in een stroomketen
P R O E F 11. 1. Laat een fietslampje branden met draden en een spanningsbron van 6V. 2. Meet de stroomsterkte in de aanvoerdraad en in de afvoerdraad.
Stroomsterkte meten in de afvoerdraad.
3. Schakel een tweede lampje in serie met het eerste. Meet de stroomsterkte in de aanvoerdraad, de afvoerdraad en de draad tussen de lampjes. 4. Neem een schakelaar op in de schakeling zoals op de tekening hieronder. Meet de stroom die door lampje A gaat, de stroom die door lampje B gaat en de stroom die door de schakelaar gaat.
5. Druk de schakelaar in en herhaal 4. 6. Herhaal de metingen uit punt 3 met 3 lampjes. Vul de gevonden stroomsterkte in in tabel 1. 7. Welke conclusies trek je uit deze proef?
serieschakelfng aantal stroomsterkte lampjes 1
2 3
tabel 1
parallelschakeling aantal stroomsterkte stroomsterkte vertakt lampjes onvertakt 1 2 3 tabel 2 22
P R O E F 12. 1. Laat een fietslampje branden met draden en een spanningsbron van 6V. 2. Meet de stroomsterkte in de stroomkring en vul deze in in tabel 2. 3. Schakel een tweede lampje parallel met het eerste. Meet de stroomsterkte voor de vertakkingen en vul de gevonden waarde in in tabel 2. 4. Meet de stroomsterkte door één lampje. Vul in de tabel de waarde in.
5. Herhaal 3 en 4 met 3 lampjes parallel. 6. Welke conclusies trek je uit deze proef?
Parallelschakeling van twee lampjes. Tussen A en B is de stroomkring vertakt. In de ene tak zit lampje 1, in de andere lampje 2. De stroommeter meet de stroom door lampje 2.
Bij deze proef blijkt dat hoe meer lampjes je naast elkaar schakelt, hoe groter de stroom is die de spanningsbron levert. Dat geldt ook bij de parallelschakeling van lampen (en electrische apparaten) thuis: Hoe meer lampen of electrische apparaten er aan staan, des te groter is het stroomgebruik en des te hoger de electriciteitsrekening. Het electriciteitsgebruik wordt gemeten met de kilowattuurmeter (kWhmeter).
kWh-meter
P R O E F 13. 1. Laat een fietslampje branden op 6V. 2. Schakel een tweede lampje in serie met het eerste. Meet de spanning over elk lampje en over beide lampjes samen.
De spanning meten van een lampje in een stroomkring met meerdere lampjes.
3. Herhaal 2 met 3 lampjes. 4. Herhaal 2 en 3 met parallelschakeling. 5. Welke conclusies trek je uit deze proef?
Bij serieschakeling wordt de spanning van de spanningsbron verdeeld over de lampjes. Tel je de spanningen die je over de lampjes meet, bij elkaar op, dan vind je de spanning van de spanningsbron. Bij parallelschakeling is de spanning over elke tak even groot. 23
6 theorie ouer spanning en stroom Stroom Als een lamp gloeit, een stroommeter uitslaat of een bel rinkelt, loopt er een electrische stroom. Zo'n electrische stroom moet je je voorstellen als een stroom clectrisch geladen deeltjes. De deeltjes heten electronen (wat electronen zijn vind je in leestekst 1 op blz. 43). In een stroomkring lopen dus electronen rond. De grootte van de stroom (de stroomsterkte) wordt bepaald door het aantal electronen dat elke seconde door de draad loopt. Naarmate meer electronen door de draad lopen is de stroomsterkte groter en brandt het lampje feller of slaat de stroommeter verder uit. Hoe dit in zijn werk gaat, kun je je voorstellen door een plastic buis te vullen met knikkers.
Er loopt een stroom in de buis als er aan de ene kant knikkers in de buis gestopt worden, en die er aan de andere kant weer uitkomen. Des te sneller de knikkers stromen, des te groter is de stroomsterkte. Met deze plastic buis kun je ook begrijpen waarom de stroomsterkte in de aanvoerdraad even groot is als de stroomsterkte in de afvoerdraad voor een lamp, zoals je in proef 11, onderdeel 2 en 3 gezien hebt: knikkers die links in de buis gestopt worden, moeten er rechts weer uitkomen. Er kunnen onderweg geen knikkers bijkomen of verdwijnen. Spanning Een electrische stroom, die door een lamp loopt, zet in de lamp electrische energie om in warmte en licht (stralingsenergie). De electrische stroom transporteert energie van de spanningsbron naar de lamp. De stromende deeltjes krijgen de energie van de spanningsbron. In de lamp staan de stromende deeltjes een deel van die energie weer af. De deeltjes stromen zelf weer terug naar de spanningsbron om opnieuw energie te krijgen. De deeltjes zelf raken niet op, maar ze raken wel energie kwijt. De spanning op het voedingskastje geeft aan hoeveel energie aan elk deeltje meegegeven wordt. Een hogere spanning van de spanningsbron heeft daarom twee gevolgen: 1. elk deeltje krijgt meer energie mee; 2. de deeltjes gaan harder stromen. Het lampje zal daarom feller gaan branden, omdat meer energie in warmte wordt omgezet. Stroom en spanning in een serieschakeling Enige lampen in serie maakt de stroomsterkte in de kring kleiner dan wanneer maar één lamp op de spanningsbron is aangesloten. Het is moeilijker de deeltjes door twee lampjes te persen dan door één lampje. De deeltjes moeten de weerstand van beide lampjes overwinnen. Er ontstaat dus een kleinere stroom. Als je dit wilt vergelijken met de plastic buis met knikkers, moet je je voorstellen dat er twee vernauwingen in de buis zitten. Dat zijn dan de twee lampjes. Door de vernauwingen
24
wordt de stroomsterkte kleiner, want de weerstand (de wrijving) in de buis is groter geworden. Bij meer lampjes in serie wordt ook de energie die de deeltjes van de spanningsbron meekrijgen, over de lampjes verdeeld. Elk lampje krijgt minder energie dan wanneer het alleen in de stroomkring zou zijn opgenomen. Bij drie lampjes in serie is de spanning over elk lampje 1/3 van de spanning van de spanningsbron: elk krijgt maar 1/3 van de energie. De combinatie van de stroomsterkte die kleiner wordt en de spanning die verdeeld wordt over de lampjes maakt dat in een serieschakeling minder energie in de lampjes vrijkomt. De lampjes branden dus minder fel. Dit heb je gezien in proef 11, onderdeel 3.
Stroom en spanning in een parallelschakeling Bij het schakelen van twee of meer lampjes parallel, zoals in proef 12, onderdeel 3 en 4, is de stroomsterkte in de kring (in het onvertakte deel van de kring) groter dan bij één lampje. De stroom kan nu door èn het ene èn het andere lampje stromen. Ook dit kun je vergelijken met de plastic buis met knikkers. Een parallelschakeling wil zeggen dat je in twee buizen naast elkaar knikkers rond laat stromen. Dat gaat gemakkelijker dan wanneer je maar één buis hebt. Het totale aantal knikkers dat je kunt laten rondlopen, is dus groter. De weerstand van twee buizen parallel is dus kleiner dan de weerstand van één buis. Ook nu is de stroomsterkte in de aanvoer- en afvoerdraad weer even groot. Als je elke seconde 10 knikkers aanvoert, stop je er 5 in elke buis. Aan de andere kant komen er dan ook elke seconde samen weer 10 uit. De spanningsbron levert bij een parallelschakeling elk lampje evenveel energie als bij een lamp alleen. De lampen blijven immers even fel branden. De spanningsbron zal, als er meer lampen parrallel geschakeld zijn, wel meer energie moeten leveren. Als de lampen op een accu of batterij branden raken die sneller op. Branden ze op het lichtnet, dan geeft de kWhmeter aan dat er meer energie verbruikt wordt.
25
SYABOOL
BETEKENIS SCHAKELAAR LAMPJE
SPANNINGSBRON REGELBARE SPANNINGSBRON STROOMMETER OF AMPÈREMETER
<2>
SPANNINGSMETER OF VOLTMETER • Voorbeelden van symbolen in tekeningen van electrische schakelingen.
26
7 schakelingen tekenen Het tekenen en fotograferen van de schakelingen, die in dit boekje staan, is een tijdrovend karwei. Toch zijn duidelijke tekeningen nodig om fouten in de opstelling te voorkomen. Meestal werkt men daarom met symbolen (zie blz. hiernaast) . Met symbolen kun je snel een duidelijke tekening van een schakeling maken. Hieronder vind je wat voorbeelden van schakelingen," waarin met symbolen wordt gewerkt (rechts).
27
P R O E F 15. Een mistachterlicht van een auto mag alleen branden als de voor- en achterlichten ook branden. Door de lampen te schakelen zoals in het schema hieronder doet de bestuurder van de auto dit altijd goed. 1. Bouw de schakeling. Auto met brandend mistachterlicht Het mistachterlicht mag alleen branden als de voor- en achterlichten ook branden
2. Controleer dat het mistachterlicht alleen brandt ^
d
e
v
O
Q
r
e
R
a
c
h
t
e
r
.
lichten ook branden.
SCHAKELAAR VOOR- EN ACHTERLICHTEN accu
TT
SCHAKELAAR M I S T - LAAR_\ ACHTER-/<>\ ACHTERLICHT LICHTEN V£y
VOOR LICHTEN
MlST-
ACHTERUCMT Schakeling van de verlichting van een auto met mistachterlicht.
O P D R A C H T 11.
29
30
8 meten en rekenen aan spanning en stroom 8.1. SPANNING E N S T R O O M Een belangrijk verband in de natuurkunde is het verband tussen de spanning over een draad en de stroom door die draad.
P R O E F 16. Spanning en stroom (1) 1. Maak bovenstaande schakeling.
SPANNING STROOI 1 P V J.
2,0 3 , 0 V
V
SPANNING
2. Stel de spanning in op 1,0 V en meet de stroom. 3. Doe dit ook voor 2,0 V , 3,0 V e n 4,0 V . 4. Hoe verandert de stroomsterkte als de spanning 2x zo groot wordt? Wat valt je op in de laatste kolom? P R O E F 17. Spanning en stroom (2) Herhaal proef 16 met een andere draad.
Als de spanningsbron aanstaat, loopt er een electrische stroom door de weerstandsdraad. Zo'n electrische stroom moet je je voorstellen als een stroom electronen (zie leestekst 1). De grootte van de stroomsterkte is een maat voor het aantal electronen dat elke seconde een bepaald punt van de weerstandsdraad passeert. De grootte van de spanning geeft aan hoeveel energie de spanningsbron aan elk electron meegeeft.
3 Je kunt de weerstand vergelijken met een plastic buis. De buis is gevuld met knikkers (de electronen) die erdoor geduwd worden. Als je 2x zoveel knikkers door de buis wilt laten lopen in dezelfde tijd, moet je 2x zo hard duwen. Zo kun je ook begrijpen dat je de spanning 2x zo groot moet maken om de stroom te verdubbelen. Als je de spanning 3x zo groot maakt, gaan er 3x zoveel electronen door de weerstandsdraad; de stroom wordt 3x zo groot. De verhouding tussen spanning en stroomsterkte voor één draad is dus constant.
31
8.2. SPANNING, S T R O O M E N W E E R S T A N D Dc verhouding tussen de spanning over een draad en de stroom door die draad is constant.* Deze zin heet de Wet van O h m . * * De constante noemt men de weerstand van de draad. De Wet van Ohm kun je ook als formule opschrijven, als je voor spanning, stroom en weerstand symbolen hebt ingevoerd.
Symbolen voor spanning, stroomsterkte en weerstand
De Wet van Ohm
De verhouding tussen spanning (V) en stroom (I) is de weerstand (R) wordt dan: j = R.
De eenheid van weerstand is ohm (afgekort: £1, spreek uit „ o o m " ) . De weerstand geeft aan in welke mate een draad electronen die erdoor heengaan, tegenwerkt. Als een weerstandsdraad de electronen die erdoor heengaan maar een klein beetje tegenwerkt, heeft hij een kleine weerstand. De spanningsbron hoeft niet zo hard te duwen om de electronen door de draad te krijgen. Een weerstandsdraad die electronen sterk tegenwerkt, heeft een grote weerstand. De spanningsbron moet dan weer harder duwen om hetzelfde aantal electronen door de draad te krijgen. Als hij dat niet doet, gaan er veel minder electronen door de draad en is de stroomsterkte dus kleiner.
* Mogelijk zijn jouw getallen in de kolom spanning/stroom niet precies
gelijk. Vraag aan je leraar hoe dat komt.
* * Deze wet geldt alleen als de temperatuur constant is; zie het hoofdstuk 8.3. „ W e e r s t a n d en temperatuur" hierna.
32
Twee weerstandsdraden bij dezelfde stroom:
O P D R A C H T 13. Wat is de weerstand van de draad uit proef 16 en uit proef 17? 33
8.3. W E E R S T A N D E N T E M P E R A T U U R PROEF 18: de stroom opblazen 1. Maak de volgende opstelling (voedingskastje uit).
2. Schakel de spanning aan, en let op de stroomsterkte terwijl je de spanning aanzet. 3. Probeer de stroom „ o p te blazen" door tegen het ijzerdraadje te blazen. Zorg dat de uitwijking van de stroommeter niet te groot wordt. P R O E F 19: weerstand en temperatuur 1. Maak de volgende opstelling
2. Bepaal de weerstand van je ijzerdraad (teclubrander uit). 3. Steek de teclubrander aan. Bepaal de weerstand van de ijzerdraad. Uit de proef blijkt: De weerstand van een ijzerdraad is groter als de temperatuur van de draad hoger is. Omdat de moleculen heftiger heen en weer bewegen, kunnen de electronen er moeilijker langs. De weerstand hangt dus af van de temperatuur van de draad. Bij proef 18 kon je de stroom „ o p b l a z e n " . Door te blazen koelt het ijzerdraadje af. Daardoor wordt zijn weerstand kleiner en de stroom in de stroomkring groter. In de vorige paragraaf heb je geleerd dat de weerstand van een draad gelijk is aan de spanning over die draad gedeeld door de stroom door de draad. Als de weerstand verandert bij temperatuurverhoging, dan verandert dus ook de verhouding van spanning en stroom. Bij temperatuurverandering geldt dus niet meer dat de verhouding van spanning en stroom constant is: de Wet van Ohm geldt dus niet meer. De Wet van O h m . Deze wet geldt alleen als de temperatuur constant is.
34
De Wet van Ohm geldt alleen bij constante Zie ook de leestekst op blz. 57.
temperatuur.
8.4. D E W E E R S T A N D V A N G E L I J K E D R A D E N IN SERIE Bij proef 20, 21, 22 en 23 gebruiken we een plank met verschillende weerstandsdraden, zoals op de foto hieronder.
Dradenplank.
k v—
—
1
9
—
3-XA «t-:
. i
.
° - t
tr "
.
. —
-—
.
©-
—
5-f
6 - r 7-1 s-t
a-t
-
—
«
^
^
MATERIAAL
DIKTE
1,2,3,^t — N ICHROOtt 5" NICHR00/A 6 NI CHROOM 7 KOPER & UZ ER 9 CONSTANTAAN
o,2 nrv 0,6 M M .
VRAAG OE LERAAR OF DE OPGAVE KLOPT VOOR "30UW DRADENPLANK?
0,2 MM.
35
SERIE SCHAKELING AANTAL DRflbEN
P R O E F 20: de weerstand van draden in serie 1. Sluit draad 1 van de dradenplank aan op een voedingskastje. Stel de spanning in op 1,0 V en meet de stroomsterkte. Bepaal de weerstand van de draad.
WEERSTAND
STROOMSTERKTE
1 2
2. Als je twee of meer draden achter elkaar schakelt, hebben de draden samen een grotere weerstand dan 1 draad.
3 4
Meet de stroomsterkte bij 2, 3 en 4 gelijke draden in serie. Stel de spanning steeds op 1,0 V . Bepaal de weerstand in elk van de gevallen. Er blijkt dat bij serieschakeling van twee gelijke draden de stroomsterkte de helft wordt van wat hij was bij één draad. De beide draden in serie maken het de spanningsbron 2x zo moeilijk om de electronen rond te pompen. De weerstand van twee draden in serie is 2x zo groot als de weerstand van één draad. Bij serieschakeling van drie draden . . .
ltt
ltt >
<
ltt >4
m > «
>
i)
<
^ Een lange draad van 4 m lengte kun je voorstellen als 4 korte draden van elk 1 m lengte, direkt achter elkaar (in serie). O P D R A C H T 14. Beredeneer of een lange draad een grotere of een kleinere weerstand heeft dan een korte draad. O P D R A C H T 15. Hoe groot is de weerstand van de lange draad uit de tekening? 36
16
n
8.5. D E W E E R S T A N D V A N G E L I J K E D R A D E N P A R A L L E L
®
P R O E F 21: De weerstand van draden parallel 1. Sluit een draad aan op een voedingskastje. Stel de spanning in op 1,0 V en meet de stroomsterkte. 2. Meet de stroomsterkte bij 2, 3 en 4 draden parallel. Stel de spanning steeds in op 1,0 V . Bepaal de weerstand in elk van de gevallen. Noteer de gevonden waarden in de tabel op de volgende bladzijde.
www
Bij de draden blijkt dat bij parallelschakeling van twee draden de stroomsterkte verdubbelt. De weerstand van twee draden is precies de helft van de weerstand van één draad. Bij parallelschakeling van drie draden . . .
PARALLELSCHAKELING AANTAL DRADEN
STROOMSTERKTE
WEERSTAND
1 2 3 h
37
BHtrn stof 8.6. DE W E E R S T A N D E N DIKTE V A N E E N D R A A D
Een dikke draad van 4 mm 2 doorsnede kun je voorstellen als 4 dunne draden van elk 1 mm 2 doorsnede direkt naast elkaar (parallel). O P D R A C H T 16. Beredeneer of een dikke draad een grotere of een kleinere weerstand heeft dan een dunne draad. O P D R A C H T 17. Hoe groot is de weerstand van de dikke draad uit de tekening? O P D R A C H T 18. Wat is het verband tussen de weerstand van een draad en de doorsnede van die draad? PROEF 22. Weerstand en dikte van een draad. Bepaal het verband tussen de weerstand van een draad en de doorsnede van die draad met behulp van draad 4, 5 en 6 van de dradenplank. Stel de spanning steeds in op 1,0 V . 8.7. W E E R S T A N D E N M A T E R I A A L Om na te gaan of de weerstand van een meter draad afhangt van het materiaal waarvan de draad is gemaakt, doen we de volgende proef. PROEF 23. Weerstand en materiaal. 1. Bepaal de weerstand van 1 m draad met een diameter van 0,2 mm 2 voor nichroom, koper, ijzer en konstan taan. (draden 1, 7, 8 en 9 van de dradenplank) 2. Trekje konklusie uit deze proef.
38
Soortelijke weerstand.
Uit de voorgaande proef blijkt dat de weerstand van een draad afhangt van het soort materiaal waarvan het gemaakt is. Het kost een spanningsbron bijvoorbeeld meer moeite elektronen door een nichroomdraad te pompen dan elektronen door een koperdraad te pompen. Om de weerstand van verschillende materialen eerlijk te vergelijken moet je draden nemen die even lang zijn en even dik.
•
O P D R A C H T 19. Waarom moet dat?
In proef 23 heb je dat ook gedaan. In tabellen zoals aan het eind van dit boek (zie blz. 62) wordt meestal de weerstand opgegeven van een blok van 1 m lengte met een doorsnede van 1 m 2 ! Deze weerstand heet de soortelijke weerstand. Het is een eigenschap van het soort materiaal en staat in de tabellen tussen alle andere eigenschappen van datzelfde materiaal (zoals de dichtheid, smeltpunt enz.). De eenheid van soortelijke weerstand is £2 m (ohm meter). In de tabel vind je voor de soortelijke weerstand van nichroom 110 x 10"8 H m . Dat betekent dat een nichroom blok van 1 m lengte en een doorsnede van 1 m 2 een weerstand heeft van 110 x 10"8 £2. De weerstand van een nichroomdraad van 1 m lengte en een doorsnede van 1 m m 2 is 106 (één miljoen) x zo groot, dus 1,10 H . Is de doorsnede 0,1 mm 2 en de lengte 1 m, dan is de weerstand 11 £1. Een nichroomdraad van 2 m lengte en een doorsnede van 0,1 mm 2 heeft een weerstand van 22 £2.
39
O P D R A C H T 20. Vergelijk jouw resultaten van proef 6 met de in de tabel opgegeven waarden voor de soortelijke weerstand. Bedenk dat een draad van 0,2 mm dik een doorsnede heeft van 0,03 m m 2 . * OPDRACHT 21. Zoek in de tabellen achterin op welk metaal de grootste en welk metaal de kleinste soortelijke weerstand heeft. O P D R A C H T 22. Hoe zie je aan de soortelijke weerstand welke stof een geleider en welke stof een isolator is? O P D R A C H T 23. Waarom maakt men elektriciteitsdraden bij voorkeur van koper?
Oplossingen van de meter problemen op blz. 17 en 19. De stroommeters (blz. 17) 1. 140 mA = 0,140 A 2. 2,10 A = 2100 mA 3. 0,50 A =* 500 mA 4. 18,0 mA = 0,0180 A De spanningsmeters (blz. 19 en 20) 1. 3,0 V 2. 4,4 V 3. 12,0 V 4. 22,4 V
*
40
De draad is 0,2 mm dik. De straal is dus 0.1 mm en de doorsnede n x (straal) 2 = 0,03 m m 2 .
inhoud leesteksten 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Atoom en stroom Electriciteit in huis Stroom door je lichaam Volta, A m p è r e , Ohm Edison Gloeilampen en de wet van Ohm Batterij en accu Tabellen
blz. 43 blz. 49 blz. 51 blz. 53 blz. 54 blz. 57 blz. 59 blz. 62
Leestekst 1.
atoom en stroom
Electrische verschijnselen
•
Reeds 600 voor Christus was het een Griekse geleerde bekend dat je electriciteit kon opwekken door een stuk barnsteen te wrijven. De barnsteen bezat door het wrijven genoeg electrische kracht om een vogelveer aan te trekken. Veel later werd de wrijvingsmachine uitgevonden die grote electrische krachten kon opwekken en kon zorgen voor vonkontladingen in de lucht. Verder had men ook al lang uitgevonden dat sommige stoffen de electriciteit goed geleiden en andere juist niet. Men wist dus van electriciteit en electrische verschijnselen best veel. Toch kon men het verschijnsel niet goed verklaren. Hier volgt een aantal proefjes die de verschijnselen van electrisch laden, die al lange tijd bekend zijn, nogmaals laten zien.
o Wrijf met een droge doek een plastic electriciteitsbuis (of een plastic kam of een plastic kogelpen) op en houd hem vlakbij een heel dun waterstraaltje uit de kraan.
o Wrijf met een droge doek een plastic kam of kogelpen op en houdt deze tegen een heel klein snippertje papier. Til de kam of kogelpen op. o Vraagje leraar om de electriseermachine en laat vonken tussen de beide bollen ontstaan. Laad iemand op zodat zijn/ haar haren recht overeind gaan staan. Geef elkaar een hand als je electrisch geladen bent. Schakel bij deze proeven wel je leraar in.
dc electriseermachine
43
met grote electriseermachines zijn grote ontladingen te verkrijgen
Het atoom Pas sinds ongeveer 100 jaar heeft men voor deze verschijnselen meer preciese verklaringen gevonden. Voor die tijd wist men al van het bestaan van het atoom, maar men dacht dat een atoom ondeelbaar was (atomos* is het Griekse woord voor ondeelbaar). Onze landgenoot Lorentz (1853—1923) toonde aan dat in het atoom een deeltje moest zitten, dat electron genoemd werd. Twee andere natuurkundigen, Bohr en Rutherford vulden de theorie van Lorentz aan. Nu stellen we ons het atoom ongeveer als volgt voor: 44
Een atoom bestaat uit een kern waaromheen één of meer electronen cirkelen. De kern van het atoom bestaat uit positief geladen deeltjes {protonen genoemd) en neutraal geladen deeltjes (neutronen genoemd). De neutronen houden de kern bij elkaar. Als geheel is de kem positief geladen. Om de kern cirkelen electronen in verschillende lagen. Deze hebben een negatieve lading. In een atoom zitten in principe evenveel protonen als electronen, zodat een atoom electrisch neutraal is.
HET ATOOM VAN KOPER MET: 29 PROTONEN 3H NEUTRONEN 2 9 ELEKTRONEN
Omdat positieve en negatieve ladingen elkaar aantrekken, blijven de electronen om de kern cirkelen. De neutronen in de kern zijn nodig om de kern bij elkaar te houden, omdat gelijksoortige ladingen elkaar afstoten. Hierboven is een koper-atoom getekend. Deze voorstelling helpt ons de electrische verschijnselen, die hiervoor genoemd zijn, te verklaren.
45
Door te wrijven, wrijf je electronen van de atomen af. De plastic staaf wordt daardoor positief geladen, want er zijn meer protonen dan electronen. Hierdoor worden de negatieve deeltjes in het water aangetrokken en de positieve deeltjes afgestoten. Omdat de negatieve deeltjes dichterbij zitten, wordt de waterstraal aangetrokken. Strijk je met je hand over de staaf, dan neutraliseer je de staaf weer en de staaf is niet meer geladen.
PLASTIC etÉXTRicrr£iTS 8UIS
Doordat de haren electrisch geladen worden, gaan ze uit elkaar staan: ze stoten elkaar af.
Bij de electriseermachine laad je de ene bol door wrijven positief en de andere bol door wrijven negatief. Als de lading groot genoeg is, springen er electronen over en zie je een vonk. Met behulp van de voorstelling van het atoom volgens Bohr en Rutherford kunnen we ook het verschijnsel van de electrische stroom verklaren. In een metaal (alle metalen zijn geleiders) kan een buitenste electron zich vrij door het metaal bewegen. Het electron is niet aan een atoom gebonden.
POSITIEVE KANT SPANNINGSBRON
46
Verbind je nu het metaal met een spanningsbron, dan worden de electronen door de positieve kant van de batterij aangetrokken en er loopt een stroom. De batterij zorgt ervoor dat de electronen weer in de draad komen aan de negatieve kant, zodat de stroom steeds kan doorlopen. De electronenstroom stroomt dus van — naar + . Omdat men vroeger dacht dat positieve deeltjes stroomden, en dat is nog steeds spraakgebruik, zeggen we: stroom stroomt van + naar —. En op deze manier bevestigen we ook de stroom- en de spanningsmeter met de + kant naar de + van de spanningsbron en de — kant naar de — van de spanningsbron. Zo is ook te verklaren wat er in een weerstand gebeurt:
-e© © © ^ ïi©"© © ®£>®@ Q
©m©u
De weerstand in een stroomketen
Bij niet-geleiders (isolatoren) zoals plastics, droog hout, kunnen de electronen niet vrij door de stof bewegen. Ze zitten vast aan het atoom. Dat is de reden dat isolatoren de electrische stroom niet kunnen geleiden. Van isolatoren maak je dan ook overal gebruik waar de stroom niet geleid mag worden, bijvoorbeeld in hoogspanningskabels of het handvat van een schroevedraaier, die je gebruikt bij klussen aan electrische apparaten. Nieuwe kennis over het atoom Met de voorstelling van het atoom van Bohr en Rutherford zijn veel verschijnselen te verklaren. Er is echter met behulp van nieuwe technieken al weer een groot aantal nieuwe verschijnselen waargenomen, die niet met de atoomvoorstelling van Bohr en Rutherford verklaard kunnen worden. Zo neemt men nu aan dat er in de atoomkern naast protonen en neutronen nog veel meer deeltjes zitten, bijvoorbeeld neutrino's, mesonen en pionen. Ook heeft men rond 1940 ontdekt dat een atoomkern kan splitsen. Bij deze splitsing komen warmte en radio-actieve stoffen vrij. Deze kennis gebruikt men nu in een kernreactor, waar de warmte wordt gebruikt om electriciteit op te wekken. Deze kennis gebruikt men ook bij bestrijding van ziekte. Daarbij worden soms namelijk radio-actieve stoffen gebruikt.
Een
miniatuur batterij werkend op radio-actieve stof-
fen, in dit geval Plutonium. Het voorziet een hartpacemaker 10 jaar van energie. D i t is een positieve toepassing van de kennis van het atoom. Een
kernexplosie.
E e n negatieve
toepassing van de
kennis van de bouw van het atoom.
47
Deze kennis gebruikt men echter ook bij het ontwerpen van kernwapens. De nieuwste kennis over het atoom levert dus veel goeds op, maar kan ook op een manier gebruikt worden die voor de samenleving nare consequenties heeft. Hier noemen we de kernwapens en het probleem van het radio-actieve afval bij kernreactoren.
48
Leestekst 2.
elektriciteit thuis
Bij de proeven in dit boek gebruik je steeds een batterij of een voedingskastje als spanningsbron. Thuis komt de electrische energie uit het stopcontact. De electriciteit wordt opgewekt in electriciteitscentrales. De electrische energie leidingen naar de groepen komt vanuit de electrische centrale via hoogspanningskabels (die je door het landschap ziet lopen) en tussenstations met transformatoren (die spanning stoppcnkast verlagen tot uiteindelijk 220 Volt) je huis binnen. In de stad of in een dorp lopen de kabels meestal ondergronds. Van de centrale naar de stad meestal boven de grond. De eleckWh. triciteit komt dan meestal meter via een ondergrondse kabel je huis of flat binnen. Via de hoofdzekering, de kWh-meter en de stoppenkast gaat de electriciteit naar de stopcontacten. De hoofdzekering en de stoppenkast zorgen ervoor dat hoof&zekering de stroomsterkte niet zo groot wordt dat de leidingen kunnen beschadigen of er brand uitbreekt. De meter meet hoeveel electriciteit je gebruikt en wat je dus moet betalen. jrsnllcabei
Electriciteitscentrale
49
De binnen- en voorkant van een stopcontact. Het stopcontact heeft twee aansluitingen. E é n voor de aanvoer van stroom en één voor de afvoer van de stroom. Als je de stekker in het stopcontact steekt, maken de pennen in de stekker contact met de aansluitingen in het stopcontact. Met een schemerlamp of een electrisch apparaat ontstaat een gesloten keten. Daardoor gaat er een stroom lopen, zodat de lamp gaat branden of het apparaat gaat werken.
gewone stekKer
Bij de vaste lampen in huis (bijvoorbeeld aan het plafond) sluit je de stroomkring door een schakelaar in de stand „ a a n " te zetten.
50
stroom door je lichaam
«
Als je een voorwerp aanraakt dat onder spanning staat voel je een schok. De grootte van de schok hangt af van de stroomsterkte, dus niet van de spanning zoals veel mensen denken. Het spierweefsel trekt samen als er een stroom door loopt. Het samentrekken van hart- of longspieren kan dodelijk zijn. Door het samentrekken van de spieren van de hand kan het slachtoffer het onder spanning staande voorwerp soms niet meer loslaten. De tabel hieronder geeft een idee van de invloed van stromen van verschillende sterkte op het lichaam.
stroomsterkte door het lichaam 0,5 mA 1 2 5 10 15
mA mA mA mA mA
20 30 40
mA mA mA
invloed op het menselijk organisme voelbaar, begin schrikwerking duidelijk voelbaar begin kramp sterke kramp loslaten kost inspanning pijnlijke kramp loslaten onmogelijk hevige pijn ondraaglijke pijn begin bewusteloosheid en levensgevaar
uithoudings tijd
onbepaald onbepaald onbepaald onbepaald onbepaald 15 s 5s 1s 0,2 s
A h jc een schrikdraad aanraakt, die onder spanning staat, krijg je een schok.
51
Om de stroomsterkte bij aanraken van onder spanning staande voorwerpen zo klein mogelijk te houden, moet de weerstand zo groot mogelijk zijn. Deze weerstand bestaat uit twee weerstanden in serie: a. onze lichaamsweerstand, dus de electrische weerstand van het menselijk lichaam zelf. b. de contactweerstand. Het blijkt dat er bij overgangen tussen twee verschillende materialen soms vrij hoge weerstanden aan de contactoppervlakten optreden.
Ongeluk door het breken van een electrische leiding
Leidsch dagblad 15-1-74
Opa knipte stroomdraad van tv door HOOGEVEEN — De 72-Jarig* C. Munster uit Hoogeveen ls gisteravond om het leven gekomen nadat hl] met een nijptang de stroomdraad van zijn televisietoestel had doorgeknipt. De man was er kwaad over dat rijn bi] hem Inwonende kinderen de televisie hadden aangezet en wilde zo het apparaat uitschakelen. Hl] liep nog naar de keuken, maar zakte
daar als gevolg van de elektrocutle In elkaar. Na enkele ogenblikken was hl] overleden. Aan het begin van de avond had hl] gezegd dat hl] de televisie niet aan wilde hebben. Dit gebeurde aanvankelijk ook niet. De man stapte even naar bulten en ontdek te toen dat de televisie toch aanstond, zijn kleinkinderen keken naar Tl-Ta-Tovenaar.
In ons geval is er dus bijvoorbeeld een contactweerstand tussen het metalen voorwerp dat we aanraken en onze hand. De lichaamsweerstand is wel min of meer constant maar de contactweerstand kan veranderen als er tussen de beide contactoppervlakken een laagje van een geleidende vloeistof aanwezig is (zoals leidingwater). Ongeluk door het onder spanning staan van een electrische boormachine. Binnen de cirkels zie je de maatregelen die de man rechts neemt om te voorkomen dat er stroom door zijn lichaam gaat.
52
Leestekst 4.
uolta, ampère en ohm
Onderzoekers als Volta, A m p è r e en Ohm hebben belangrijk werk gedaan op het gebied van de electriciteitsleer. Daarom werden belangrijke eenheden naar hen genoemd: de volt voor spanning (blz. 15) de a m p è r e voor stroom (blz. 18) en de ohm voor weerstand (blz. 32). Hieronder vind je een korte beschrijving van de levensloop van deze natuurkundigen.
Volta (1745-1827)
Ampère (1775-1836)
Ohm (1789-1854)
Volta, Allessandro (18-02-1745 Como - 05-03-1827 Como) was een geniaal experimentator, die onze kennis van de electrische verschijnselen een belangrijke stap heeft vooruitgebracht. Na zijn studie werd hij leraar te Como, in 1799 hoogleraar te Pavia. Napoleon benoemde hem tot senator van het koninkrijk Italië en verhief hem in de adelstand. Ampère, A n d r é Maric (22-01-1775 Lyon — 10-06-1836 Marseille), zoon van een koopman, bracht zijn jeugd in eenzaamheid op een klein landgoed door. Zijn veelzijdig genie richtte zich achtereenvolgens op de encyclopedie van d'Alembert en Diderot, plantkunde, latijnse dichters, scheikunde, wiskunde en tenslotte, in 1820 op de electromagnetische verschijnselen. Hier toonde hij zich de meester: hij gaf duidelijk inhoud aan het begrip „ s t r o o m " , leerde het onderscheiden van „ s p a n n i n g " en ontdekte de kracht tussen stroomgeleiders. A m p è r e had een zachtmoedige, eenzelvige natuur. Vele van zijn fantastische ideeën zijn later juist gebleken. De terechtstelling van zijn vader als aristocraat, de vroege dood van zijn vrouw en religieuze twijfel hebben hem diep aangegrepen. Ohm, Georg Simon (16-03-1789 Erlangen — 07-07-1854 München) heeft zijn belangrijkste onderzoekingen verricht terwijl hij leraar was. Zijn vader, die meestér-slotenmaker was, leerde op zijn oude dag wis- en natuurkunde en onderwees Simon en zijn broer Martin, die een bekend wiskundige werd, daarin. Op zijn zestiende jaar ging hij naar de universiteit. Twee jaar later werd hij leraar. Ondanks zijn vele baanbrekende en diepgaande onderzoekingen duurde het tot 1833 voor hij, als resultaat van vele verzoekschriften, een betere positie kreeg aan de polytechnische school te Neurenberg. Dit is niet het enige voorbeeld uit die tijd, dat de Duitsers de laatsten waren om hun grote wetenschappelijke landgenoten te erkennen. Pas op zijn tweeënzestigste jaar werd hij hoogleraar te München. Hij wijdde zijn leven geheel aan het onderzoek, leefde uiterst sober en bleef ongehuwd.
Leestekst 5.
Edison
Thomas Alva Edison (geboren 11 februari 1847, Milan, Ohio, overleden 18 october 1931, Llewellyn Park, West Orange, New Jersey, beide U.S.A.) was uitvinder van beroep. E é n van zijn uitvindingen was de electrische gloeilamp (1878). Eén van zijn uitvindingen, want hij deed er vele; hij bemachtigde zo'n 1400 patenten. Uit dat laatste mag wel blijken dat uitvinden in die tijd zeker niet het uitwerken van „ d i e ene geniale inval" was. Het was hard werken om tot verbetering van oude instrumenten of het creëren van nieuwe te komen. Uitvinden was een beroep met veel concurrentie. Zo vonden twee tijdgenoten van Edison, Bell en Gray, ongeveer tegelijk de telefoon uit. Edison werkte op dat moment trouwens ook aan een bruikbare telefoon.
Edison
Ook bij de gloeilamp was het niet zo dat slechts één man in de goede richting experimenteerde. Maar Edison slaagde er als eerste in een bruikbare gloeilamp te fabriceren, verwierf het patent en staat bekend als de uitvinder van de gloeilamp. Het is echter waarschijnlijk dat ook zonder Edison omstreeks 1880 de electrische gloeilamp „ o n t d e k t " zou zijn. Twee andere dingen die bij Edison speelden zijn eigenlijk nog belangrijker geweest dan de uitvinding van de gloeilamp. Ten eerste was daar de professionele aanpak van het uitvinden die Edison ten toon spreidde, een aanpak die tegenwoordig gemeengoed geworden is, maar die toen uniek was. Hij werkte niet in z'n eentje, maar had in West Orange, New Jersey, een fabriekje gesticht, waar hij met een wisselend aantal medewerkers samenwerkte. Een deel van zijn tijd besteedde hij aan het verwerven van de voor zijn onderzoeken benodigde financiën. Hij probeerde, niet zonder succes, steeds opnieuw bedrijven en individuele geldschieters te interesseren voor*juist zijn (en niet andermans) onderzoek, door ze er van te overtuigen dat Lamp van Edison zijn manier van werken de meeste kans van slagen had. platina gloeidraad. Edison wachtte met het in de openbaarheid brengen van zijn vondsten vaak net zo lang totdat hij er van overtuigd was dat de, steeds weer verbeterde, Onder Een microscoop-opname van een gloeidraad. vinding echt toepasbaar, Oe gloeispiraal is zelf nog eens in een spiraal gewonen liefst ook commercieel den. aantrekkelijk was. De uitvinding van de gloeilamp is hiervan een goed voorbeeld. Om de concurrentie niet verder op weg te helpen werden de resultaten van de onderzoekingen zorgvuldig geheim gehouden. 54
uit 1878 met
De eerste gloeilamp brandde in Edison's fabriek in 1878. Omdat reeds zeer snel de gloeidraad doorbrandde en deze bovendien van zeer kostbaar materiaal was, was de lamp zeker nog niet geschikt voor toepassing op grote schaal, ('t Doorbranden van de gloeidraad is
«
f
overigens ook nu, 100 jaar later, nog altijd het zwakke punt van de gloeilamp). De lamp werd dan ook niet op de markt gebracht. Pas nadat in october 1879 een gloeilamp langer dan veertig uur bleef branden, werd de vinding in de openbaarheid gebracht. Op oudejaarsavond 1879 toonde Edison de gloeilamp in New York City aan het grote publiek. Een tweede belangrijk aspect van Edison's werken was zijn vooruitdenken. Terwijl de ontwikkeling van de gloeilamp nog in volle gang was, richtte Edison een electriciteitsmaatschappij op met het oogmerk een uitgebreid electriciteitsnet op te zetten. Dat zou het mogelijk maken dat iedereen gebruik ging maken van de electrische gloeilamp. Maar ook dat electriciteit in huis voor velerlei doeleinden gebruikt zou gaan worden. Nog voordat de eerste gloeilamp brandde en nog voordat de eerste electriciteitskabel gelegd werd, voorspelde Edison al dat er in de toekomst zelfs dingen als eten koken op electriciteit gedaan zouden gaan worden.
Experiment met een gloeilamp in de fabriek van Edison in 1879. De lamp bleef 40 uur branden.
Lamp van Edison uit 1879.
Achteraf is het op grote schaal gaan gebruiken van electriciteit waarschijnlijk het gevolg van de uitvinding van de gloeilamp geweest. Nadat Edison's vin55
ding op grote schaal toepassing vond en woonhuizen in grote getale van electriciteit werden voorzien, is er een ware stortgolf van electrische apparatuur op gang gekomen. In het laatste thema voor de derde klas kun je bij het onderzoek „ H o e ziet de wereld er zonder electriciteit uit?" nagaan voor hoeveel zaken we nu al electriciteit gebruiken.
T h i s Room Is Equipped W i t h
Do not a t t c m p t to li£ht w i t h r m a t c h . S i m p l y turn kcy on w a l l by the doop. Th« u»e of E'.ectr-.city for lifhtinf il in no way harmful to heaith. nor duet ;t affect the soundneaa of ileep.
Mededeling in hotelkamers uit 1893: Deze kamer is voorzien van Edison Electrisch Licht. Het licht niet aansteken met een lucifer, maar gewoon de knop omdraaien in de muur bij de deur. Het gebruik van electrische verlichting is volstrekt onschadelijk voor de gezondheid en heeft geen invloed op de slaap.
Thomas Alva Edison in zijn laboratorium te West Orange. Edison was degene die het meest aan de weg timmerde met zijn lamp. Het succes van de gloeilamp is dan ook voor een groot deel aan hem te danken.
56
gloeilampen en de wet uan ohm
Leestekst 6.
In proef 16 op blz. 31 heb je gemeten hoe de stroom door een weerstandsdraad veranderde als je de spanning over de draad veranderde. De verhouding s P a n n i n g b i K constant te zijn. stroom Waarom gebruiken we hier een weerstandsdraad en niet gewoon een lampje? De tabel geeft de resultaten van de proef, uitgevoerd met een lampje. De verhouding spanning/stroom is niet constant. Je kunt dat begrijpen als je „WeerSPANNING stand en temperatuur" (blz. 34) hebt gelezen. (R) Daar blijkt dat de weerstand van een draad groter 0,19*1 is als de temperatuur hoger is. Bij hogere temperatuur is dus ook de verhouding spanning stroom ° e e
SPANNING STROOM cv; 1
Het gloeilampje brandde het felst bij 6 V ; de temperatuur van de gloeidraad was het hoogst bij 6 V . De weerstand van de gloeidraad moet dus bij 6 V het grootst zijn. Uit de tabel blijkt dat dit klopt. Bij lagere spanningen gloeit het minder fel, is de temperatuur dus lager en de weerstand kleiner.
STROOK mi 5,15
2
0,253
7,90
3
0,300
10,00
0,35
U/r5
5
0,h0
12.50
6
0,k5
13,33
Waarom met een weerstandsdraad?
57
De opstelling met een lampje is dus niet geschikt om de Wet van Ohm af te leiden. De opstelling met een weerstandsdraad is wel geschikt als de temperatuur van de draad tenminste constant blijft. Geldt het bovenstaande ook voor proef 20 en 21 (blz. 36 en 37) of mogen we daar de weerstandsdraden wel door lampjes vervangen?
7
58
batterij en accu
Leestekst 7.
Spanningsbronnen waarin net als in batterijen en accu's scheikundige veranderingen optreden, zijn reeds lang bekend. De eerste ondekkingen op dit gebied werden in de 18e eeuw gedaan, onder andere door de Italiaan Galvani (1737-1798). Volta (1745-1827), eveneens een Italiaan, vervaardigde een spanningsbron die bekend staat als het element van Volta.
"
verdund ~ zwavelzuur
koperplaat
zinkplaat
Br vmdt tu$5€fl de platen en her zuur een chemische reaktifc plaats. Deze zorgt ervoor aar er tussen het koper en het-zink een spawiV^ verschil of\tsvMV. Als er stroom kx7pc slaatr op de koperplaar zink neer bij & zinkplaat ontstaat waterstof Ui.
In de praktijk worden de elementen van Volta niet gebruikt. Het bezwaar is onder andere dat er bij stroomlevering waterstof ontstaat, waardoor het spanningsverschil sterk vermindert.
Hoe werkt een batterij? Als je een stuk zink in zoutzuur zet ontstaat een scheikundige werking, waarbij het zink langzaam maar zeker oplost. Het nog niet opgeloste zink krijgt nu teveel electronen ten opzichte van de koolstof. Maken we nu een verbinding tussen de zinkplaat en de koolstaaf, dan gaan de electronen van te veel naar te weinig, dus van het zink naar de koolstof. Het zink noemen we de negatieve (—) pool. Een element is uitgeput (leeg) als het zink is opgelost.
salmiakelemcnt
Om nu te voorkomen dat er steeds gasbelletjes op de koolstaaf gaan zitten is de koolstof verpakt in een linnen zakje met bruinsteen. Het bruinsteen heeft de eigenschap om hét ontstaan van gasbelletjes tegen te houden. De zure vloeistof (zoutzuur) heeft men vervangen door een papje om lekken te voorkomen. Vaak voegt men verscheidene elementen samen tot één geheel. Men spreekt dan van een batterij. Halen we een platte batterij uit elkaar, dan blijkt dat er drie elementen inzitten. De koolstaaf van het eerste element is verbonden met het zinken busje van het tweede element, enz. De elementen zijn dus in serie geschakeld. Meten we het spanningsverschil tussen A en B, dan is dat V/2 V . Tussen B en C ook, en tussen A en C 2 x V/2 = 3 V . Bij serieschakeling neemt dus het spanningsverschil toe, evenredig met het aantal elementen in de batterij. 59
zinkcilindor-
gabondan ooloJling mal »almlahiout
bodamltolatla
droog element platte batterij van drie elementen De lange koperstrip is de negatieve en de korte strip de positieve pool van de batterij. Hoe werkt een accu? Als je in een bakje met verdund zwavelzuur twee loodplaten plaatst, bestaat er tussen de gelijke platen geen spanningsverschil. Dat verandert als je de platen op een spanningsbron van bijvoorbeeld 4 V aansluit.
technische uitvoering van een accu (auto-accu
Na enige ogenblikken krijgt de positieve plaat (dat is de plaat die op de + pool van de spanningsbron is aangesloten) een bruine kleur; aan beide platen stijgen gasbelletjes op.
platen (looddioxyde)
verdunde
zwavelzuur
De platen zijn nu niet meer gelijk aan elkaar. Tussen beide platen blijkt een spanningsverschil van ongeveer 2 V te bestaan.
— platen (loodsulfaat)
accu (schematisch)
Tüfiers V&o^zóc* vfodt- er CU&MSCUC ffcalcHe ploab hjsse* de o<*os£*g cm de lïz&rdcor Op e&y
\AJCrdY tnesnpe. opqesldqem. i/a*i de.
h^ce
loodbaken
wecd-i
1^' Kef laten brandei v2*o Vey ta*"pje verdurf- hef ^eer.
60
We hebben zo een accu gékregen. De accu is geladen door er een stroom doorheen te sturen. Daardoor werden de oorspronkelijke gelijke platen verschillend. Er is electrische energie omgezet in chemische energie. Sluiten we op de platen een lampje aan, dan brandt dit helder, maar na enige tijd neemt de lichtsterkte af. De accu raakt ontladen, het spanningsverschil tussen de platen vermindert.
We kunnen de accu weer opnieuw laden door er in tegengestelde richting een stroom doorheen te sturen. Het voordeel van een accu is dat men hem vele malen opnieuw kan opladen. Daarbij veroorzaakt de stroom die er doorheen gaat, een chemische verandering van de platen (zie fig. hieronder, links). De sterkte van het zuur neemt toe. Het ontladen van de accu ontstaat doordat het spanningsverschil tussen de platen een stroom veroorzaakt (zie fig. hieronder, rechts). Daarbij verschijnt er op beide platen loodsulfaat. De sterkte van het zuur neemt af.
het laden van een accu
het ontladen van een accu
61
Leestekst 8.
Gegevens van vaste stoffen, vloeistoffen en gassen
10» kg m - »
urdgas (Gron.) «celon alkobol (ethanol) aluminium Ammoniak argon benzeen benzine
10~» K
0,83 • 1 0 * ) 0.79 0.80 2,7 -
J
;
8.9 8.6 1.6
chloor chroom consianiaan diamant
J
3.21 • I 0 - ' ' ) 7.1 ••9 3.3
eboniet ether fosfor (wit) glas gewoon
j
10 0.71
glas (lint glycerol goud grafiet graniet helium hout balsa* ebbe*
•
62
2.4
K
•lO"*
20 2,4 0.88
178 159 932
i.i • i < r »
10 • l O - ' 1.3
IS
3.1 20 0.7
l-S
0.13 «.3
3.6 1-3 19.3 2.3
0.80 1.4 0.20
1.7 • l O " '
0 0 • 10—
0.70 0.4
0.92 1.1 4.0
1.7
279
1.3
0.12 0.38 0O3 0.63
545 1280 594 1123
0.54
0.45 0.41 0.49
172 2176 1540 > 3900
1.7 24 0.79 0.84 0.50 2.4 0.13 0.69 0.82
'/-»
IO*J k g - '
195
7m
12 0.80
2,7 0.18 • I 0 - * 4 ) 0.13 1.3
IO*Jk«-« K - '
V„s
1.5
2.6
K~'
10
0,77 • 10-» 4 ) 1.8 • 10-» *) 0.88 0.72
9.1
bismut brons cadmium calcium
_ L
Viw
4
K
329 351
SO 8.4
240
13.7
333
3.9
2.7 80 20
0.57 3.3
2.8
7.5 4.3 •
239
2.9
35.5
170
10 0O2
308
292 1336 3820
1.8 0.66 170
363
13 45 10" 10»*
3.8
10" 10»
20 10*
4.3
ooi
massa •
90
119
157 317
1.0*)
IO-*Qm
I0»J k g " '
2.0
90 Cu. 10 Sn
54 Cu. 45 Ni. 1 Mn
hout eikevureinvar keukenzout
i s
kobalt koolstofdioxide koper kurk
g 1
J
kwarts kwik lood lucht
s
«
magnesium manganien marmer messing
s s
* -
natrium nichroom nieuwzilver nikkel
•
1
*
1 s 1
olijfolie paraffine petroleum platina plexiglas (perspex) polyetbeen polyvinylchloride (pvc) porselein rubber staal (roestvrij) steen bakstikstof tetra tin water waterstof wolfraam ijs ijzer zand
0.4 0.5 0.2
8.7 2,0- 10 -»«) 8.9 0,20
1.4
1.7 8.5 2,7 8.5
1.0 0.41 0.88 0,38
923 1270 1170
0.97 80 8.9 8,8
7.1 1.3 1.8 1.3
1.3
371
10
0.40 0.46
1728
3.0
13.6
0.18 • I 0 - '
0,72 • 10 - »
0,90 8.0 18 2.4
20 1.0 0.6
20 10-")
1.7 2.9 2,1 0.13
0.80
14
11
10*» 10»»
1.6 4,6
1780
0.84 0O3 4,2
250 505 273
0.17 0.59 3.3
85 Fe. 13 Cr. 0.2 C
10.3 6,9 1.42,0
1.9 3.0
0.24 0.39
1234 693
1.1 IJ
0,74
392
0.46
'/ra I0-1
1.4
60 N i , 22 Fe. 18 Cr 50 Cu, 35 Zn, 15 Ni
10"
1.9 3.3 2.7
0,56
84 Cu. 12 Mn. 4 Ni 60 Cu. 40 Zn
4.7 110 33 7.8
1900
3650 273 1812
•/m
10" 96 21 4.6 43 I0» 1 6.0
77
10-")
1.7
> 10"
0,13 20 0,46 0.80
2,9 • l O " 1 ' ) 1.8
3.0
1.1
>/m
0.21 >/ata
64 Fe. 36 Ni
10»
0,45 5.03) 10
8.0
630
325 2043
massa -
6.5 22
3.7
19.3 0.921) 7,9 1.6
KT")
10-f.m
1.5 20 1.0
0,35
j 1 s
1
2.9
11
1.6 7.3 1,00 0,090
g
0.040
I0*J k g - 1
2,6
2.7 1.6 10 2.1
1.2 7.8 1.8 1.3- lOT»*)
»
1768
0.12 0.45
s s s
s g
0.42
IC
10" 10
1880 234 601
2.4
s
1720 1081
0.75 0.14 0,13
»
,
0,50 0,88
10»J kg~'
2,1
1.2 0.93 1.3
s
K
1356
2.5 13.5') 11.3 1.3 • 10T")
1.7
•/»•
10-J k g - ' K " '
0,39
s t
»
273 K 269 K 293 K
0,78 0,58 8.1 2.2
*
s s
zwaveldioxide zwavelzuur
I0~» K - '
0,92 0,89 0,79 21.4
s
zilver zink zuurstof zwavel
') bij T ') bij T ») bij r ')P~ po »)p - 2.5
* -
I01 k g m _ J
284
350 373 20
14 1.9 23
11.5 1 5.5 II
90
16
263 603
32
1.6 6.2 10"
5.1
s - vast (solid) I - vloeibaar (liquid) g — gasvormig (gaseous)
10» Pa
63
